基于时空变迁的海南岛海岸线稳定性评价

孙士超，洪海凌，许小贝

(海南省海洋监测预报中心，海口 570100)

0 引言

海岸线所在地区是陆海相互作用最为强烈，同时也是人类活动最为密集的区域，来自陆海双方的力量共同塑造着海岸地区的自然环境。无论是海域的变化，或是陆域的改变，都能直接或间接地影响海岸地区的环境变化与海岸线的变迁。岸线资源是国民经济发展的战略性资源，更是沿海城市赖以生存发展的优势资源，其保护与利用不仅关乎沿海城市及其港口腹地的发展，还影响着海洋生态环境的安全[1]。

海南岛海岸带不仅有引人入胜的自然景观，更蕴含丰富的自然资源。随着社会经济的飞速发展，近30年来海南岛沿岸自然资源开发如火如荼，对海岸线生态环境和空间资源的保护却未得到足够重视。近年来，隋燕等[2-4]开展了海南岛海岸线变迁遥感监测分析，李刚等[5-7]对海南岛局部海岸线进行了变迁监测，研究结果表明，海南岛海岸线总长度呈增长趋势，岸线变迁频繁且剧烈，陆海格局整体呈向海扩张的态势，围填海工程导致海岸线资源的自然生境丧失和改变，近年来愈加明显。

目前对海南岛海岸线的研究多集中在时空变迁与原因分析方面，对岸线稳定性研究较少，本研究综合考虑时间跨度、影像质量等因素，自1970—2016年间8期遥感影像中筛选出1970年、1990年、2000年、2010年和2016年5个时期的海岸线数据为研究对象，利用色差Canny算子计算方法提取海岸线，以海岸线变迁为基础，定量测算海南岛海岸线纵深度变化量和年平均变化速率，构建岸线稳定性指数[8-10]，分析46年来海南省海岸线稳定性，以期为管理部门掌握海南岛海岸线资源整体情况，为海洋资源科学保护与合理配置提供参考。

1 数据源与研究方法

1.1 数据来源

选取1970年、1990年、2000年、2010年、2016年5期遥感影像(表1)，所选影像拍摄时间均为各年5—9月的多光谱融合影像，避免因季节不同导致的地物光谱误差过大。

表1 遥感影像数据

由于遥感影像数据特点及技术参数限制，本研究中的海岸线定义为瞬时海陆分界线(以下简称海岸线)，而非一般所指的海潮时平均高潮所到达的界线。此岸线数据仅适用于分析与评价海南岛岸线的历史动态变迁过程，以及岸线基础特征的时空演变分析。

1.2 解译方法与误差分析

根据大跨度的时间特征，及所选择的遥感影像自身质量与精度的限制，本研究主要采用基于海岸特征结合图像处理技术对海岸线进行判读解译的方法，提取卫星拍摄时的海岸线，但遥感影像质量对此方法提取结果有一定影响，由提取结果测算，提取误差范围为海岸线±30 m。将预处理后的影像采用色差Canny算子技术检测边缘[11-12]，Canny算子是在满足一定约束条件下推导出的边缘检测最优化算子，其所提取的边缘比较完整，连续性好[13]，便于实现海岸线的自动提取。

根据上述的岸线解译方法及分类标准，通过严格的质量控制过程，最终完成了5期海南岛海岸线的提取工作，提取结果如表2所示。

表2 5期岸线数据提取结果 单位：km

初步分析来看，经过46年的自然影响和人工改造作用，海南岛海岸线的长度、类型及位置均发生了很大的变化。其中：海南岛自然岸线和河口岸线均呈现减少的变化特征，分别由1970年的1 423.02 km、28.04 km减少到2016年的1 053.36 km、9.18 km，平均年减少量为8.04 km和0.41 km；人工岸线长度显著增加，由1970年的156.76 km增至2016年的469.38 km，平均年增量为6.8 km。

提取结果与海南省2016年海岸线修测结果1 944.35 km对比[14]，相差412.43 km。分析原因有以下三方面：一是提取标准不同，本研究中对岸线的定义为瞬时海陆分界线，而非通常指的海潮时平均高潮所到达的界线；二是影像解译误差，本研究主要利用低分辨率遥感影像(30 m)进行岸线解译，提取误差范围为±30 m；三是影像质量造成的误差，本研究时间序列选择了1970—2016年间的5个时期影像，由于时间跨度大，影像的质量不一致，对于岸线提取结果也造成一定影响。

综合上述三点原因，本研究采取统一处理标准、统一提取标准和统一分类标准进行岸线提取与分析，虽然结果数据与实际数值间存在一个适当的误差范围，但对于研究海南岛海岸线空间变化特征及现状分布规律的影响可以忽略不计。

1.3研究方法

1.3.1评价因子

评价因子为海南岛海岸线向海推进或者向陆后退的水平移动距离，即岸线纵深度。纵深度数值有正与负之分，正值代表海岸线向海推进，而负值则代表海岸线向陆后退。

1.3.2评价方法

根据空间相对位置的变化，本研究将提取的海岸线分为向海推进区与向陆后退区，通常情况下，向海推进区和向陆后退区独立划分区块，且区块内海岸线长度在10～20 km之间，变化较强烈区域的区块内海岸线长度在1～10 km范围内。区块内海岸线空间位置平均变化距离的确定方法，视区块内海岸线空间位置变化强度的空间分布均匀程度，每1～5 km岸线长度设一垂直海岸线主体走向的剖面，统计岸线位置在这一剖面上的变化距离值，取各剖面的平均值得到区块内海岸线变化的平均距离，也就是该段岸线的纵深度。

根据海岸线空间位置变化距离，计算出岸线纵深度值。纵深度的变化反映了海岸线稳定性变化的程度，对海南岛海岸线稳定性划分为强烈岸退区、岸退区、稳定区、岸进区和强烈岸进区5个级别，并绘制海岸线稳定性分级图，更加形象与真实地展现全岛海岸线几何空间变化形态。海岸线纵深度计算式为

(1)

其中:D为岸线纵深度值；n为垂直海岸线主体走向的剖面数量；Lk为第k个剖面上的变化距离值。

在此基础上，以市(县)为单位，统计各市的海岸线稳定性情况，计算各市的海岸线稳定性指数E，E值越大表示岸线稳定性越好。计算公式为

(2)

其中：RS表示稳定区、岸退区和岸进区海岸线长度占总海岸线长度的比例；RC表示强烈岸退区和强烈岸进区海岸线长度占总海岸线长度的比例。

最后，在计算各市(县)海岸稳定性指数的基础上，进一步汇总计算全岛的海岸线稳定性指数。

2 结果分析

2.1 岸线纵深度变化总体情况

根据上述评价方法和计算公式，以1970年、1990年、2000年、2010年和2016年5个时期的海岸线数据为研究对象，分析46年以来海南岛海岸线纵深度变化量和年均变化速度，以平均负纵深度(AveD-)、平均正纵深度(AveD+)、纵深度绝对值平均数(AbsDA)和年均变化速度(SY)4个指标来分析与统计，求出1970—1990年、1990—2000年、2000—2010年、2010—2016年4个时间段的海南岛海岸线纵深度变化和年均变化速度(表3)。

表3 海南岛1970—2016年海岸线纵深度变化统计

表3(续)

计算与统计结果显示，46年以来，海南岛海岸线发生了剧烈的变迁，由自然因素引起的岸线后退变化呈减小趋势，而人工开发引起的岸线向海推进速度明显加剧，岸进绝对值远大于岸退绝对值。从全岛来看，最近6年的岸线变化速度最快，平均每年向海推进15.96 m。通过遥感分析，岸线后退多发生在河口三角洲和粉砂淤泥质岸段，多系被侵蚀造成后退。沿海各市县详细变化情况如图1—图3所示。

图1 海南岛1970—2016年海岸线向陆后退平均距离变化

图2 海南岛1970—2016年海岸线向海推进平均距离变化

图3 海南岛1970—2016年海岸线纵深度年均变化速度

海南岛海岸线纵深度变化趋势详细分析如下：

1)1970—1990年属于早期人类传统海洋开发时期，主要开发与利用海洋活动为海洋渔业、晒海盐，人们对海洋开发与利用处在传统阶段。此阶段陵水黎族自治县向陆后退变化值最大，年均岸退1.69 m，万宁市排第二位，年均岸退约1.60 m；而昌江黎族自治县向海推进变化值最大，年均向海推进38.61 m。此阶段海南岛海岸线变化主要为自然因素作用，包括海平面上升、海岸侵蚀和自然灾害等，这些因素的作用力受到自然环境变化影响较大，岸退与岸进处于自然平衡时期。

2)1990—2000年由于受到生产条件和技术水平的限制，开发活动主要是用简单的工具在海岸和近海中捕鱼虾、晒海盐，以及海上运输，逐渐形成了海洋渔业、海洋盐业和海洋运输业等传统的海洋开发产业，人们对海洋开发与利用处在起步阶段，新中国海洋开发政策基本形成时期。此阶段东方市向陆后退变化值最大，年均岸退约5.91 m，三亚市排第二位，年均岸退约1.83 m；而澄迈县向海推进变化值最大，年均向海推进约67.47 m。此阶段海南岛海岸线变化人为影响占主导地位，自然因素作用为辅，包括围海养殖、晒海盐、海平面上升、海岸侵蚀和自然灾害等，岸进趋势处于加快时期。

3)2000—2010年我国在开发利用海洋资源、发展海洋经济方面取得了较大进展，海洋经济已成为国民经济新的增长点。2002年1月1日，《中华人民共和国海域使用管理法》正式实施，引发海洋开发高潮时代的到来，代表新中国海洋开发政策迈向强国战略的新时期。此阶段昌江黎族自治县部分岸段，因海洋环境的自然灾害频发，出现了向陆后退变化最大值，年均岸退8.53 m，陵水黎族自治县排第二位，年均岸退6.26 m；而海口市因港口、工业区、新型城镇等的建设，带动大规模的填海造地行为，促使岸线向海推进出现最大值，年均向海推进约15.71 m。此阶段人工开发对岸线变化的影像作用力大于自然因素，人工开发引起岸线向海推进变化的趋势加强。

4)2010—2016年是我国海洋经济可持续发展的时代，也是海洋开发的一个新高潮。2007年3月《中华人民共和国物权法》的出台，首次将海域物权制度在民事基本法律中得到确立，开创了海域使用管理的新时期，是海洋综合管理真正走向法制化管理时期的重要标志，同时也是破除传统用海观念，建立海域资源开发利用的社会主义市场机制的一场深刻革命[15]。此阶段洋浦经济开发区部分岸段，受海洋环境的自然灾害、海水入侵作用力加强和人为滨海湿地的破坏，出现了向陆后退变化最大值，年均岸退10.30 m，万宁市排第二位，年均岸退约7.31 m；而洋浦经济开发区加快了临港工业区和海滨新区的建设，带动了新一轮的围填海行为，促使岸线向海加速推进，年均向海推进60.15 m。此阶段岸线变化的主导因素是人工开发，自然因素引起的作用力相对于人工开发显得较为微弱，从海南岛岸线整体变化来看，此阶段岸线向海推进变化较为明显，趋势逐渐增强，推进速度接近2000—2010年时期的2倍。

2.2岸线纵深度变化区划分

依据1970年—2016年海南岛海岸线区块内的岸线平均纵深度数值范围，根据分等定级方法[16-18]，将海南岛海岸线纵深度变化划分为强烈岸退区、岸退区、稳定区、岸进区和强F烈岸进区5个级别(表4)。

表4 岸线纵深度变化区划分标准 单位:m

依据岸线纵深度变化区划分标准，以2016年岸线为基准，计算出1970—2016年期间海南岛海岸线纵深度变化区各类型的岸线长度如表5所示。

表5 海南岛海岸线纵深度变化区各类型岸线长度 单位:km

表5(续)

由计算结果分析得出，海南岛海岸线整体来看，整体趋势受人类活动影响岸线不断向海推进，强烈岸进区岸线长度达到330.37 km，占海南岛岸线总长度的21.57%。其中，文昌市强烈岸进区岸线长度最大，长度为65.77 km，占总岸线长度的20.97%，其次是万宁市，强烈岸进区岸线长度为49.94 km，占总岸线长度的33.03%，而昌江黎族自治县强烈岸进区岸线长度占总岸线长度的比例最大，达到50.91%。东方市强烈岸退区岸线长度最大，长度为12.04 km，占总岸线长度的11.84%，三亚市排第二位，强烈岸退区岸线长度为8.58 km，占总岸线长度的4.65%.

如图4所示，从1970—2016年海南岛海岸线稳定区岸线保有量来看，昌江黎族自治县、东方市和海口市三个区域稳定区岸线所占比例不足40%，东方市最低，稳定区岸线所占比例仅为13.83%，其次是昌江黎族自治县，所占比例为22.78%；而其他区域稳定区岸线所占比例都在40%以上，乐东黎族自治县最高，所占比例为59.44%。

图4 1970—2016年海南岛海岸线稳定区岸线所占比例

从影响变化因素上分析，主要是人类开发作用引起，随着社会经济的快速发展，沿海地区工业化、城镇化进程加快，人口和产业向沿海地区聚集，沿海城市人居环境不断扩张，为了满足城市发展的需求，人类活动不断向海洋延伸。

2.3 岸线稳定性指数

根据大陆海岸线稳定性指数公式(2)，计算出1970—2016年海南岛海岸线稳定性指数，如表6所示。

表6 1970—2016年海南岛海岸线稳定性指数

表6(续)

由海南岛海岸线稳定性指数计算结果分析，可得出整体布局情况与岸线稳定区岸线保有量相同，乐东黎族自治和琼海市岸线稳定性指数大于10，分别为16.32和13.63；而昌江黎族自治岸线稳定性指数最小，仅为0.96。整体布局情况如图5所示：

图5 海南岛海岸线稳定性指数

3 讨论与建议

保护好现有海岸线走势,维持其自然演变规律,并尽量约束其变动,以利于长期利用是开发海岸线的首要基础[19]。近年来，海南省严格按照中央“除国家重大项目外，全面禁止围填海”要求，严格管控围填海，据海南省海域监测管理公报统计，2018年、2019年全省连续两年未批准围填海项目，严格保护全省海洋资源的决心坚定。本研究表明海南局部地区如东方、昌江、海口等稳定性岸线保有率很低，文昌、万宁等强烈岸进区岸线长度很大，如文昌市强烈岸进区岸线长达65.77 km，占其总岸线长度的20.97%，文昌市位于海南岛东部，属低丘台地平原地带，根据遥感监测，其海岸线变化较大区域位于文昌市青澜湾与高隆湾一带。文昌市海洋捕捞与海水养殖产业较为发达，同时1970—2016年该地填海造地、岸线防护工程、交通运输工程岸线所占比例逐渐增长，围垦养殖等人为因素是造成岸进区岸线占比较大的主要因素。

从岸线资源保护的角度，提出如下管理建议：1)合理规划产业项目，严格按照岸线使用的海洋功能顺序审批项目，依次为：港口、航运、海洋油气开发、防潮排涝、滨海旅游、养殖等，引导产业向陆域纵深发展。2)继续严控填海面积，推进集约用海，引导填海后产业发展，提倡战略型新兴产业如海水综合利用、海洋新能源、海洋医药等；改变海岸围垦方式，尽量减少截弯取直，易采取离岸式等填海方式，尽量减少海岸自然景观与近岸海域生态环境破坏，不改变海水动力条件平衡，不损害海域功能，不改变海岸的自然属性。3)优化滨海产业结构，以规模化集约化为发展模式[20],实现生态开发，提高海洋产业竞争力。目前滨海产业结果多为传统养殖、盐业等没有市场竞争力的主导产业，产品多以销售原料为主，深加工产品较少，产品附加值低，产业整体效益不高。